JP6726627B2 - 複数の管状部品を組み立てることによるターボ機械羽根車の製造 - Google Patents

Description

本開示は、ターボ機械を製造することにかかわる。とりわけ、本明細書において開示する主題は、ターボ機械羽根車、例えば、遠心ポンプおよび圧縮機ならびにふく流タービンなどの遠心力または求心力利用のターボ機械用の羽根車を製造するための方法に関する。

ターボ機械は、１つまたは複数の回転部品および１つまたは複数の静止部品を備えている。ターボ圧縮機では、ターボ機械を通り流れる流体は、回転部品の回転運動によって加速され、静止部品において減速され、静止部品では流体の運動エネルギーを圧力エネルギーへと変換する。タービンまたはエキスパンダでは、ターボ機械を通り流れる流体が持つエネルギーを、タービンシャフトまたはエキスパンダシャフトにおいて利用可能な機械的な力へと変換する。

遠心ポンプおよび圧縮機などの遠心力利用のターボ機械は、通常、ケーシング内での回転のために載置された１つまたは複数の羽根車からなる。羽根車を、適切なベアリングによりケーシング内で支持され、かつ羽根車とともにケーシング内で回転する回転シャフトに載置することができる。各羽根車は、前表面および後表面を有しかつ回転シャフト用の中心穴が設けられたディスクからなる。いくつかの知られている実施形態では、羽根車には、相互に隣接する羽根車と互いにねじり係合している前面歯が設けられる。中心ロッドは、複数の羽根車を一緒に軸方向に固定する。

動翼は、ディスクの前表面から延び、動翼の間に、羽根車ベーンとも呼ばれる流路を画定する。羽根車は、シュラウドをさらに備えることができ、シュラウドは、動翼に接続されそしてディスクとは反対側で流路またはベーンを閉じる。

隣接する動翼の間に形成されたベーンまたは流路は、通常、流体力学的な考察により要求される複雑な形状を有する。各羽根車は、羽根車から加速された流体を受けるディフューザと組合せられ、ディフューザでは流体の運動エネルギーが圧力エネルギーへと変換され、したがって流体圧力を昇圧する。ディフューザは、通常、機械のケーシングに収容されたいわゆる固定絞りに形成されている。

流体の流れと相互に作用するターボ機械部品は、多くの場合にどちらかと言えば複雑な形状を有する。これは、静止部品、ならびに羽根車などの回転部品の両者に当てはまる。

ディフューザおよび羽根車などの複雑なターボ機械部品を製造することは、時には、数値制御された切り屑除去式機械加工により実行される。しかしながら、すべての流体力学的表面を切り屑除去機器によって機械加工できるとは限らないので、切り屑除去による機械加工は、ディフューザおよび羽根車のいくつかの形状に制限される。他の知られている方法によれば、単体の部品を互いに溶接することによって、羽根車を製造する。さらなる知られている方法によれば、インベストメント鋳造が、羽根車を製造するために使用される。

ターボ機械羽根車を製造するためのもう１つの選択肢は、ディスクの形状の被加工物を誘電性液体中に置き、電極とともに作用させる技術であるいわゆる放電加工（ＥＤＭ）によるものである。被加工物と電極との間に電圧差が印加され、したがって電気スパークを発生させ、これが被加工物の表面を削り取る。電極は、必要なキャビティが削り取りによって得られるように成形される。最終的な羽根車形状が得られるまで、異なる電極を有する様々な機器が、被加工物を機械加工する一連の作業で使用される。

特に、羽根車の必要とされる最終形状を実現するために異なる形状のいくつかの電極を使用する必要性のために、やはりＥＤＭも、制限および欠点を有する。電極は、摩耗に晒され、頻繁に交換しなければならない。放電加工は、その上、どちらかと言えばゆっくりとしたプロセスである。

さらなる知られている技術によれば、ターボ機械羽根車を、熱間静水圧プレス成形プロセスを使用して粉末冶金により製造することができる。図１および図２は、羽根車を製造するためのこの知られている粉末冶金プロセスの例示的な実施形態を模式的に図示している。図１は、粉末冶金プロセスによって製造された圧縮機羽根車の模式的部分断面図を図示し、図２は、図１に模式的に示した羽根車を製造するために使用するコアの軸測図を図示している。

図１を参照して、羽根車１００は、ディスク１０３およびシュラウド１０５を備える。ディスク１０３とシュラウド１０５との間に、羽根車動翼１０７を配置する。流路またはベーン１０９が、連続して隣接する羽根車動翼１０７の間に形成される。各流路１０９は、羽根車ディスク１０３および羽根車シュラウド１０５により境界を形成される。羽根車ディスク１０３は、シャフト（図示せず）が通り抜ける穴１１１を有するハブ部分１０３Ｈをやはり形成し、シャフト上に羽根車１００がターボ機械ケーシング（図示せず）内での回転のために載置される。図１では、羽根車１００の非中空部分は、異なる材料を用いかつ製造プロセスの異なるステップで製造される羽根車の部分を示すために、異なる方法でハッチングされている。羽根車ディスク１０３および羽根車シュラウド１０５の両者の外側部分は、別々に製造され、これらの間に配置されたコア１１３とともに組み立てられる。コア１１３は、羽根車が製造された後で適切な酸により溶解することが可能な金属で作られる。コア１１３は、流路またはベーン１０９の形状を再現する。より具体的に、コア１１３は、複数の半径方向に延伸するコア部分１１３Ｐを有し、各々がそれぞれの流路またはベーン１０９の中空のボリュームに対応する。コア部分１１３Ｐは、スロット１１５によって分離され、その形状は、羽根車動翼１０７の形状に対応する。

羽根車ディスク１０３の外側スキンおよび羽根車シュラウド１０５の外側スキンを形成する２つのディスク形状の部品の間にコア１１３を置くことによって、羽根車１００を製造する。コア１１３の断面形状、ならびに羽根車ディスク１０３および羽根車シュラウド１０５の外側スキン部分の断面形状は、中空のボリュームがコア部分１１３Ｐと羽根車ディスク１０３および羽根車シュラウド１０５の両方のスキン部分との間に形成されるようなものである。中空のボリュームは、次いで金属粉末で埋められ、キャビティが封じられる。このようにして得られたユニットには、「ＨＩＰ」または「ヒッピング」とも呼ばれることがある、熱間静水圧プレス成形が施され、これにより熱および圧力が、コアによって形成された半完成品の外側表面に加えられ、内部キャビティならびに羽根車ディスク１０３および羽根車シュラウド１０５の外側スキン部分を埋めている粉末を取り囲む。金属粉末は、緻密化されそして固化されて、したがって羽根車１００の内部非中空部分を形成する。流路またはベーン１０９を形成するために、コア１１３を除去しなければならない。これは、酸エッチングによって実行される。

上に説明した方法は、いくつかの欠点を有する。コア１１３は、高価で複雑な部品であり、非中空の被加工物から機械加工しなければならない。コア１１３を製造することは、費用のかかるプロセスである。得られたコア１１３は、１つの羽根車１００を製造するために１回だけ使用され、その後で壊される。

その上、上に要約した技術は、羽根車を製造するために使用することができる材料の選択に厳しい制約を設定する。より具体的には、スキン部分を形成する金属ならびに金属粉末の両者は、コアを除去するために使用する酸の反応に耐性がなければならない。順に、コア１１３は、ヒッピング中の高い圧力および温度条件に耐えることができるが、同時に酸エッチングによる除去に適している金属で製造されなければならない。

したがって、特に、限定しないが、ポンプおよび圧縮機用の遠心羽根車などの複雑なターボ機械部品を製造する方法を改善する必要性がある。

欧州特許出願公開第２３８８０９１号明細書

本明細書において開示される主題のいくつかの実施形態によれば、ターボ機械羽根車を製作するための方法を提供し、本方法では、筒状部品が別々に製造され、次いで互いに組み立てられる。各筒状部品は、内側表面および外側表面を有する。筒状部品の内側表面は、羽根車の流路のうちのそれぞれ１つ、すなわち羽根車ベーンの内側表面を画定する。複数の筒状部品は、羽根車軸の周りに組み立てられ、隣接する筒状部品の間にギャップまたは中空のスペースを残す。中空のスペースまたはギャップを、次いで粉末材料、例えば、金属粉末で埋める。粉末材料を、後に熱間静水圧プレス成形によって緻密化しそして固化させ、このように動翼のコアを形成し、各動翼のスキンが隣接する筒状部品の対の壁部分によって形成される。

コアを製造することおよび酸エッチングによってコアを除去することの必要性を、このようにして回避する。羽根車を製造することを簡単に、早くそして安価にする。加えて、耐酸性材料を使用することが必要とされないので、幅広い選択肢の材料が利用可能である。

いくつかの実施形態によれば、下記のステップを含む方法を提供し：
複数の筒状部品を製造するステップであり、各々が吸気口および排気口を有する、製造するステップと；
筒状部品を互いに組み立て、軸の周りに複数の円形に配置された筒状部品を形成し、隣接する筒状部品の間に中空のスペースまたはギャップを残すステップと；
粉末材料で中空のスペースまたはギャップを埋めるステップと；
熱間静水圧プレス成形によって中空のスペースまたはギャップ内の粉末材料を緻密化するステップと
を含む。

任意の適切な技術を、筒状部品を製造するために使用することができる。いくつかの選択肢を、後で説明する。

羽根車のディスクおよびシュラウドを、様々な方法で形成することができる。

いくつかの実施形態では、本明細書において開示する方法は、シュラウドスキンおよびディスクスキンを形成するステップであって、円形に配置された筒状部品がディスクスキンとシュラウドスキンとの間に設置され、これらに接続される、形成するステップをさらに含む。本方法は、シュラウドスキンと筒状部品との間に第１の中空のキャビティを残し、粉末材料で第１の中空のキャビティを埋めるステップをさらに含むことができる。第１の中空のキャビティを埋める粉末材料は、熱間静水圧プレス成形によって緻密化される。

いくつかの実施形態によれば、ディスクスキンと筒状部品との間に第２の中空のキャビティを残すステップと；粉末材料で第２の中空のキャビティを埋めるステップと；熱間静水圧プレス成形によって第２のキャビティ内の粉末材料を緻密化するステップとをさらに含む方法を提供する。

さらなる実施形態によれば、各筒状部品を製造するステップが、それぞれの筒状部品とシュラウドセグメントおよびディスクセグメントのうちの少なくとも一方とを単一部品として同時に形成するステップを含む方法を開示する。いくつかの例示的な実施形態では、筒状部品を互いに組み立てることによって羽根車シュラウドおよび羽根車ディスクのうちの少なくとも一方を形成するステップを含む本方法をさらに提供する。

本明細書において開示するいくつかの実施形態は、例えば、付加製造技術によって、羽根車セグメントを製造するステップを含み、羽根車セグメントはその後組み立てられて、中空のスペースまたはギャップおよびキャビティをその中に残す。各羽根車セグメントは、羽根車のそれぞれの流路またはベーンを形成する少なくとも１つの筒状部品を備える。各羽根車セグメントは、シュラウドセグメントおよびディスクセグメントをさらに備える。ディスクセグメントは、ハブセグメントを含むことができる。キャビティを、シュラウドセグメント内におよび／またはディスクセグメント内に設けることができる。

有利な実施形態では、各羽根車セグメントのディスクセグメントは、ハブセグメント内に設置されたスキンによって取り囲まれたキャビティを含む。羽根車セグメントは、例えば、溶接すること、ろう付けすることまたははんだ付けすることによって一緒に結合される。環状キャビティを、このようにシュラウド領域に形成することができ、さらなる環状キャビティを、ハブ領域またはディスク領域に形成することができる。各環状キャビティは、隣接する羽根車セグメントの単一のキャビティによって形成される。さらにその上、スペースまたはギャップが、隣接する羽根車セグメントの隣接する筒状部品の間に残される。ギャップおよびキャビティを、粉末材料で埋めることができ、粉末材料は、その後熱間静水圧プレス成形によって緻密化されそして固化される。最終的な非中空の羽根車が、このように得られる。

さらなる態様によれば、本明細書において開示される主題は、ターボ機械羽根車に関し、ディスクと；シュラウドと；ディスクとシュラウドとの間の複数の動翼と；隣接する動翼の間の流路またはベーンとを備える。各動翼は、動翼のスキン部分を接続している緻密化した粉末材料の内部コアを含み、上記スキン部分が、それぞれの動翼の吸引側および加圧側を形成する。

特徴および実施形態を、下記に開示し、本明細書の不可欠な部分を形成する別記の特許請求の範囲にさらに記述している。上記の簡単な説明は、次に続く詳細な説明をより良く理解できるようにそして技術に対するこの貢献をより良く認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記述している。当然のことながら、以降に説明され別記の特許請求の範囲において記述されるであろう発明の他の特徴がある。この点で、発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、発明の様々な実施形態は、これらを適用する際に、次に続く説明に記述されるまたは図面に図示される構成の詳細におよび構成要素の配置に限定されないことが理解される。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施しそして実行することが可能である。また、本明細書において用いる表現法および用語は、説明の目的のためであり、限定するようには見なされるべきではないことを理解されたい。

それはそうとして、開示が基づいている概念を、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを、当業者なら認識するであろう。したがって、等価な構成物が本発明の精神および範囲から逸脱しない限りにおいて、特許請求の範囲は、このような等価な構成物を含むと考えられることが重要である。

発明の開示した実施形態およびこれに付随する利点のうちの多くのより完全な理解は、添付の図面に関連して考えると、同じものが下記の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるようになるので、容易に得られるであろう。

圧縮機羽根車の断面図である。 現在の技術による圧縮機羽根車を製造するためのコアの図である。 本明細書において開示する方法を用いて製造することができる羽根車の軸測図である。 本明細書において開示する方法の第１の実施形態によるターボ機械羽根車を製造するために使用する筒状部品の軸測図である。 本明細書において開示する方法の第１の実施形態によるターボ機械羽根車を製造するために使用する筒状部品の軸測図である。 本明細書において開示する方法の第１の実施形態によるターボ機械羽根車を製造するために使用する筒状部品の軸測図である。 本明細書において開示する方法の第１の実施形態によるターボ機械羽根車を製造するために使用する筒状部品の軸測図である。 部分的に組み立てられた状態の図４〜図７の複数の筒状部品の図である。 部分的に組み立てられた状態の図４〜図７の複数の筒状部品の図である。 ディスクスキンとシュラウドスキンとの組合せで載置された筒状部品の分解組み立て図である。 ディスクスキンとシュラウドスキンとの組合せで載置された筒状部品の分解組み立て図である。 組み立てられたディスクスキン、シュラウドスキンおよびこれらの間に配置された筒状部品の一部分の軸測図である。 組み立てられたディスクスキン、シュラウドスキンおよびこれらの間に配置された筒状部品の一部分の軸測図である。 組み立てられたディスクスキン、シュラウドスキンおよびこれらの間に配置された筒状部品の一部分の軸測図である。 最終的な羽根車の軸測図である。 本明細書において開示する方法のさらなる実施形態における図１０および図１１に類似の分解組み立て図である。 本明細書において開示する方法のさらなる実施形態における図１０および図１１に類似の分解組み立て図である。 ハブ部分との組合せで、羽根車の製造中の羽根車の軸測図および部分断面図である。 ハブ部分との組合せで、羽根車の製造中の羽根車の軸測図および部分断面図である。 本明細書において開示する方法のさらなる実施形態による羽根車の軸測図である。 図２０の方法による筒状部品の軸測図である。 図２０の方法による筒状部品の軸測図である。 図２０の方法による筒状部品の軸測図である。 組み立てた状態の図２１〜図２３による筒状部品のグループの図である。 組み立てた状態の図２１〜図２３による筒状部品のグループの図である。

例示的な実施形態の下記の詳細な説明は、添付の図面を参照する。別の図面における同じ参照番号は、同じ要素または類似の要素を特定している。加えて、図面は、必ずしも正確な縮尺で描かれる必要はない。また、下記の詳細な説明は、発明を限定しない。代わりに、発明の範囲は、別記の特許請求の範囲によって規定される。

明細書全体を通して、「１つの実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「ある実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「いくつかの実施形態（ｓｏｍｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」への参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。このように、明細書全体を通して様々な場所で「１つの実施形態では」または「ある実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という句が現れることは、必ずしも同じ（１つまたは複数の）実施形態を参照する必要はない。さらに、特定の特徴、構造または特性を、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方式で組み合わせることができる。

下記の開示は、具体的に遠心ターボ機械羽根車を製造することに関する。本明細書において開示する方法のいくつかの特徴および利点を、ターボエキスパンダおよびタービンなどのターボ機械の求心羽根車を製造するためにやはり活用することができる。

図３は、ターボ機械、例えば、遠心圧縮機用の遠心羽根車１の軸測図を図示している。いくつかの実施形態によれば、羽根車１は、ディスク３、シュラウド５、およびディスク３とシュラウド５との間に配置され羽根車ディスク３と羽根車シュラウド５とを相互に接続している複数の動翼７を備える。流路またはベーン９を、連続する動翼７の対の間に形成する。各動翼７は、それぞれ羽根車吸気口１Ｉおよび羽根車排気口１Ｏのところに配置された前縁部７Ｌおよび後縁部７Ｔを含む。

いくつかの実施形態では、羽根車シュラウド５は、ターボ機械の静止ケーシング（図示せず）上に載置されたシール装置とともに作用する外側段差付表面を有する羽根車アイ５Ｅを含むことができ、このケーシングの中に羽根車を配置する。羽根車ディスク３は、穴１１を取り囲むハブ部分３Ｈを含む。いくつかの実施形態では、シャフトは、複数の軸方向に配列された羽根車の穴を通り延伸し、このようにして形成された回転子が、ターボ機械のケーシング内で回転するために載置される。別の実施形態では、羽根車に、前面歯および後面歯を設けることができ、その結果、隣接する羽根車が互いにねじり係合する。羽根車の積層体の穴を通って延伸しているタイロッドは、羽根車を一緒に固定する。

各羽根車動翼７は、羽根車動翼７の対向する表面により規定される加圧側および吸引側を有する。動翼表面ならびに各流路またはベーン９の範囲を定める羽根車ディスク３および羽根車シュラウド５の内側表面の形状は、流体力学の考察により要求され、どちらかと言えば複雑なことがある。

いくつかの実施形態によれば、羽根車１を、本明細書において下記に説明するように製造することができる。複数の筒状部品１３を、第１の方法ステップで製造することができる。図４〜図７は、１つのこのような筒状部品１３の様々な軸測図を図示している。羽根車１を製造するために必要な筒状部品の数は、羽根車１に設けられる流路またはベーン９の数に対応することがある。筒状部品１３を、互いに同じにすることができ、１つだけの筒状部品１３を、したがって図４〜図７を参照して本明細書では説明する。

本明細書において開示した実施形態によれば、筒状部品１３は、実質的な筒状壁１７によって境界を形成された内部流路１５を含むことができる。筒状部品１３は、吸気口１９および排気口２１を含む。流路１５の内側表面の形状は、最終的な羽根車１の流路またはベーン９の形状に実質的に対応する。

いくつかの実施形態では、吸気口１９を、流路１５を取り囲んでいる壁１７により形成される２つの端部２３および２５の間に配置することができる。いくつかの実施形態では、端部２３、２５のうちの一方を、尖った実質的に直線の端部とすることができ、一方で、例では端部２５で示される他方の端部を、壁１７の一部分により形成することができ、これは折り曲げられ、一種の折り曲げ部またはリップ２５Ｌを形成する。リップ２５Ｌは、吸気口１９から遠くに面しかつ壁１７の側面からある距離のところに配置された最終端部２５Ｉを有することができる。

方法は、最終的な羽根車１の流路またはベーン９の数に対応する数で筒状部品１３の円形配置を形成するために十分な数の筒状部品１３を一緒に組み立てるステップをさらに含むことができる。

図８および図９は、互いに組み立てられた３つの筒状部品１３の軸測図を図示している。図８および図９から認識できるように、筒状部品１３が次々に隣接して置かれ、互いに接続されると、各筒状部品１３の折り曲げられたリップ２５Ｌは、隣接する筒状部品１３の尖った端部２３に対して当接し、その結果、隣接する筒状部品１３の間に残されている中空のスペースまたはギャップＳを、筒状部品１３の吸気口２９に面する側で実質的に閉じることができる。

図１０および図１１には、円形に配置された筒状部品１３の完成した組立品１４が示されている。組立品１４は、羽根車軸Ａ−Ａを取り囲む。筒状部品１３を、例えば、溶接すること、ろう付けすること、等により互いに接続する。いくつかの実施形態によれば、隣接する筒状部品１３の間にギャップまたは中空のスペースＳが残されるように、各筒状部品１３には、それぞれの排気口２１の近くで筒状部品１３の対向する側に位置する一対のピン３１を設けることができる。隣接する筒状部品１３は、対向するピン３１のところで互いに接触する。連続する筒状部品１３の間の中空のスペースまたはギャップＳの幅は、ピン３１の長さの２倍に対応することがある。

各筒状部品１３を、任意の適切な製造プロセスによって製造することができる。いくつかの実施形態では、各筒状部品１３を、ハイドロフォーミングによって製造する。方法の実施形態によれば、例えば、四角形の断面を有する単純な直線状のまたは湾曲したパイプを、適切に成形した型の中でハイドロフォーミングを施すことができ、その型の形状は、筒状部品１３の最終形状に対応する。いくつかの実施形態では、ピン３１を、ハイドロフォーミングの後で筒状部品１３の外側表面に溶接するまたははんだ付けすることができる。

別の実施形態では、各筒状部品１３を、付加製造技術により形成することができる。付加製造技術は、それ自体知られており、詳細には本明細書において説明しない。付加製造技術は、例えば、羽根車１内の流路またはベーン９の三次元湾曲を特徴付けることができる複雑な形状を製造するために特に有用である。エネルギー源として電子ビーム銃を使用する付加製造技術は、筒状部品１３の製作に特に適している。筒状部品１３を製造するために使用する粉末材料の性質に応じて、レーザ光源などの他のエネルギー源を使用することができる。

いくつかの実施形態によれば、製造プロセスの次のステップは、ディスクスキンおよびシュラウドスキンを製造するために行われ、ディスクスキンおよびシュラウドスキンは、ディスクスキンとシュラウドスキンとの間に配置された筒状部品１３とともに、筒状部品１３の組立品１４に取り付けられる。図１０および図１１では、参照番号３３は、ディスクスキンを示し、参照番号３５は、シュラウドスキンを示す。

いくつかの実施形態では、ディスクスキン３３を、モノリシック部品、例えば、円形の金属シートによって形成することができる。いくつかの実施形態では、ディスクスキン３３を、金属シートなどの被加工物から始めて、浅絞り成形、深絞り成形、超深絞り成形、鋳造、プレス加工、プレス鍛造、ホットプレス加工、金型成形、等、などの適切な永久変形プロセスによって製造することができる。

別の実施形態によれば、ディスクスキン３３を、付加製造技術により製造することができる。

別の実施形態では、ディスクスキン３３を、１つのスキンセグメント３３Ｓから始めて製造することができる。複数のスキンセグメント３３Ｓを、例えば、溶接すること、ろう付けすること、または任意の他の適切な方法で互いに接続することができる。各スキンセグメント３３Ｓを、金属シートなどの被加工物から始めて、浅絞り成形、深絞り成形、超深絞り成形、鋳造、プレス加工、プレス鍛造、ホットプレス加工、金型成形、等、などの適切な永久変形プロセスによって製造することができる。

いくつかの実施形態によれば、各スキンセグメント３３Ｓを、付加製造技術により製造することができる。

図１０および図１１に示した実施形態では、スキンセグメント３３Ｓの数は、筒状部品１３の数よりも少ない。ディスクスキン３３を形成するスキンセグメント３３Ｓの数は、設計考慮事項に応じて、および例えば、スキンセグメントを製作するために使用する製造プロセスの種類に基づいて変わることがある。スキンセグメント３３Ｓ用の製造プロセスを、例えば、使用する材料の性質に基づいて選択することができる。

いくつかの実施形態では、シュラウドスキン３５を、モノリシック部品、例えば、円形の金属シートによって形成することができる。いくつかの実施形態では、シュラウドスキン３５を、金属シートなどの被加工物から始めて、浅絞り成形、深絞り成形、超深絞り成形、鋳造、プレス加工、プレス鍛造、ホットプレス加工、金型成形、等、などの適切な永久変形プロセスによって製造することができる。

別の実施形態によれば、シュラウドスキン３５を、付加製造技術により製造することができる。

別の実施形態では、シュラウドスキン３５を、１つのスキンセグメント３５Ｓから始めて製造することができる。複数のスキンセグメント３５Ｓを、例えば、溶接すること、ろう付けすること、または任意の他の適切な方法によって互いに接続することができる。各スキンセグメント３５Ｓを、金属シートなどの被加工物から始めて、浅絞り成形、深絞り成形、超深絞り成形、鋳造、プレス加工、プレス鍛造、ホットプレス加工、金型成形、等、などの適切な永久変形プロセスによって製造することができる。

いくつかの実施形態によれば、各スキンセグメント３５Ｓを、付加製造技術により製造することができる。

図１０および図１１に示した実施形態では、シュラウドのスキンセグメント３５Ｓの数は、筒状部品１３の数よりも少なく、ディスクスキン部分３３を形成するスキンセグメント３３Ｓの数に等しい。これは、しかしながら、不可欠ではない。スキン部分３３Ｓの数は、スキン部分３５Ｓの数とは異なってもよい。その上、シュラウドスキン３５を形成するスキンセグメント３５Ｓの数は、設計考慮事項に応じて、および例えば、スキンセグメントを製作のために使用する製造プロセスの種類に基づいて変わることがある。スキンセグメント３５Ｓ用の製造プロセスを、例えば、使用する材料の性質に基づいて選択することができる。

シュラウドスキン３５およびディスクスキン３３を製作するために、同じ製造プロセスを使用することができる。これは、しかしながら、必須ではない。別の実施形態では、シュラウドスキン３５およびディスクスキン３３を製造するために、異なる技術を使用することができる。

図１２および図１３は、半完成の羽根車１の一部分の軸測図を図示しており、これは、筒状部品１３、ディスクスキン３３およびシュラウドスキン３５を互いに組み立てることによって得られる。図１２および図１３の両方には、半完成の羽根車の一部分またはセグメント１Ｓが示されている。羽根車セグメント１Ｓは、載置されそして互いに接合された２つの筒状部品１３を備える。

特に図１２に示したように、いくつかの実施形態によれば、ディスクスキン３３は、円形端部３３Ａ、３３Ｂを備えることができる。いくつかの実施形態によれば、シュラウドスキン３５は、やはり円形端部３５Ａ、３５Ｂを備える。円形端部３３Ａおよび３５Ａを、互いに対向して配置することができ、筒状部品１３の排気口２１を、２つの対向する円形端部３３Ａ、３５Ａに沿っておよびこれらの間に配置する。

いくつかの実施形態では、付属構造３３Ｃは、円形端部３３Ａから円形端部３５Ａに向かって一定の間隔で突き出している。同様に、付属構造３５Ｃは、円形端部３５Ａから円形部３３Ａに向かって突き出すことができる。付属構造３３Ｃ、３５Ｃの対は、隣接する筒状部品１３の間に配置され、これらの間の中空のスペースまたはギャップＳを前面で閉じている。

円形端部３３Ｂおよび３５Ｂは、円形組立品１４に配置された筒状部品１３の吸気口１９の円形配列の周りに広がる。

２つの中空の環状キャビティ４１および４３を、それぞれ、ディスクスキン３３と筒状部品１３との間およびシュラウドスキン３５と筒状部品１３との間に形成する。

図１４は、半完成の羽根車のセグメントを除去した状態の半完成の羽根車の一部分１Ｐの軸測図を図示しており、筒状部品１３、ディスクスキン３３およびシュラウドスキン３５を互いに組み立てることによって得られる内部構造を示している。中空のキャビティ４１および４３が示されている。

いくつかの実施形態では、本明細書において開示する方法の次のステップは、連続する筒状部品１３の間の中空のスペースまたはギャップＳならびに中空のキャビティ４１および４３を粉末材料、特に金属粉末材料で埋めるステップを含む。

ギャップ中空のスペースＳおよびキャビティ４１、４３を埋めるステップに先立って、部品１３、３３および３５を、相互に当接している端部に沿って互いに溶接する、はんだ付けするまたはろう付けすることができ、その結果、このようにして得られた半完成のユニットの内部ボリュームを、密封するように閉じる。１つまたは好ましくは２つ以上のアパーチャが、ギャップ中空のスペースＳおよびキャビティ４１、４３を埋めるためならびにアパーチャから空気またはガスを除去するために残される。キャビティおよびギャップ中空のスペースを金属粉末で埋めるステップの後で、アパーチャを、同様に封じることができる。いくつかの実施形態では、デッドヘッドが、金属粉末で埋められそして例えば、溶接すること、はんだ付けすること、ろう付けすること、等によって封じられたアパーチャのところに残される。デッドヘッドを埋めている金属粉末は、粉末貯蔵部を構成し、金属粉末は、全粉末体積の減少を補い、その結果、半完成の羽根車の外側表面の変形が熱間静水圧プレス成形中に生じないように、後の熱間静水圧プレス成形中に中空のスペースギャップＳの中へとおよび／またはキャビティ４１、４３の中へと入る。

熱間静水圧プレス成形の前にまたはキャビティ４１、４３およびギャップもしくは中空のスペースＳを埋めるステップの前に、溶接ビードを検査することができる。溶接ビードを、洗浄する、仕上げる、ラッピングするまたは任意の適切な方法で処理することができ、溶接ビード上の表面異常を取り除くことができる。

一旦、環状キャビティ４１、４３およびスペースまたはギャップＳが金属粉末で埋められてしまい、アパーチャが封じられてしまうと、半完成の羽根車１には、熱間静水圧プレス成形、またはいわゆるヒッピングが施される。このプロセスは、非中空の構造が得られるまで、半完成の羽根車の内部のギャップまたは中空のスペースおよびキャビティを埋めている粉末材料を緻密化させそして融合させる。

約４８０℃〜１５００℃の範囲内の適した温度および約５０Ｍｐａ〜３１０Ｍｐａの範囲内の適した圧力を、このヒッピングステップに対して使用することができる。これらの値は、例として与えられるに過ぎず、本開示を限定するように解釈すべきではない。

ヒッピング過程とともにまたはその後で、ハブ部分４７を、羽根車ディスクに接続することができる。図１８および図１９は、ヒッピングに先立ってディスクスキン３３の外側表面に付けることができるハブ部分４７の軸測図を図示している。同じヒッピングプロセス中に、またはシュラウドスキン３５、ディスクスキン３３および筒状部品１３のヒッピングの後の別々のステップで、ハブ部分４７を結合することを拡散結合により実現することができる。

図１９に最も良く示されているように、ハブ部分４７は、最終的な羽根車１のスルーホール１１を形成する。図１８および図１９には、全体の構造をより良く理解する目的で一部分を取り除いた状態で、ハブ部分４７および羽根車の残りの部品３５、３３、１３を、分解組立図および部分図で示している。

上に説明した方法の結果として、２つの連続する筒状部品１３の側壁によって、そして上記のものの間の中空のスペースまたはギャップＳがヒッピングに先立って埋められている金属粉末によって、羽根車１の各動翼７を形成する。各動翼７の前縁部７Ｌを、折り曲げた端部２５および関係するリップ２５Ｌにより形成し、一方で、後縁部を付属構造３３Ｃおよび３５Ｃによって形成する。各筒状部品１３の内部ボリュームは、したがって、それぞれの羽根車ベーン、すなわち、羽根車によって処理される流体のための流路を形成する。

羽根車１のディスク３およびディスクの関係するハブ部分３Ｈは、ハブ部分４７、ディスクスキン３３によって、および中空のキャビティまたはギャップ４１を埋めている粉末材料によって形成され、粉末材料を、ヒッピングにより緻密化しそして固化する。

羽根車１のシュラウド５は、順に、ディスクスキン３３によって、および中空のキャビティ４３を埋めるために使用される粉末材料によって形成される。

図１５は、最終的な羽根車１の軸測図を図示しており、この羽根車には、例えば、筒状部品１３の各端部２５の折り曲げたリップ２５Ｌに沿ったような凹凸、段差、等を、例えば、取り除くための追加の最終的な機械加工操作を施すことができる。

いくつかの実施形態では、ディスクスキン３３およびシュラウドスキン３５を、モノリシック被加工物から、例えば、絞り加工、等によって塑性変形した金属シートから製造することができる。図１６および図１７は、図１０および図１１の図に類似の軸測図を図示しており、シュラウドスキン３５およびディスクスキン３３が一片の金属、例えば、金属シートによって形成されている。

図２０〜図２４は、本明細書において開示する製造方法のさらなる実施形態を図示している。この代替実施形態によれば、羽根車１は、複数のセグメントを組み立てることによって製造され、各セグメントが、羽根車の様々な流路またはベーンのうちのそれぞれ１つに対応する筒状部品、ならびにシュラウドセグメントおよびディスクセグメントを含む。羽根車セグメントは、次々に隣接して載置され、複数の中空のキャビティを中に含む半完成の羽根車を形成し、中空のキャビティは、ヒッピングによるその後の緻密化のために、金属粉末などの粉末材料でその後埋められる。

より具体的には、図２０は、羽根車ディスク３および羽根車シュラウド５を備え、その間に羽根車動翼７を有する羽根車１の軸測図を図示している。流路またはベーン９が、隣接する動翼７の間に形成される。羽根車アイ５Ｅが、羽根車吸気口１Ｉの周りに羽根車シュラウド５によって形成される。７Ｌおよび７Ｔは、それぞれ動翼７の前縁部および後縁部を示している。

線５１によって表されているように、羽根車１は、複数の羽根車セグメント１Ｘによって形成され、羽根車セグメントは、羽根車１のハブ部分３Ｈによって形成される中央穴１１の周りの円形の配列に次々に隣接して配置される。

図２１、図２２および図２３は、１つの羽根車セグメント１Ｘの異なる軸測図を図示している。各羽根車セグメント１Ｘを、任意の適切なプロセスによって製造することができる。いくつかの実施形態によれば、各羽根車セグメント１Ｘを、例えば、エネルギーの源として電子ビーム銃を使用する付加製造技術によって形成する。

いくつかの実施形態によれば、各羽根車セグメント１Ｘは、シュラウドセグメント５Ｘおよびディスクセグメント３Ｘと一体的に形成されている筒状部品１３を備える。筒状部品１３の内部を、以前に説明した実施形態の筒状部品１３の内部と全く同じ方法で設計することができる。筒状部品１３は、吸気口１９および排気口２１を有する。参照番号２３および２５は、吸気口１９のところに配置されたそれぞれの端部を示している。通路１５を、筒状部品１３の内部に形成する。通路１５は、羽根車１の流路またはベーン９の形状に実質的に対応する形状を有する。

シュラウドセグメント５Ｘと筒状部品１３の外壁との間に、中空のキャビティ４３Ｘが設けられる。ディスクセグメント３Ｘと筒状部品１３の外側表面との間に、それぞれの中空のキャビティ４１Ｘが設けられる。

いくつかの実施形態によれば、方法は、各々がそれぞれのシュラウドセグメント５Ｘおよびディスクセグメント３Ｘを設けられている複数の筒状部品１３が、図１〜図１９に開示した実施形態に関連して以前に説明したものと全く同じ方法で一緒に組み立てられる引き続くステップを含む。

図２４および図２５は、組み立てられた状態の３つの筒状部品１３のグループを図示している。筒状部品１３を、はんだ付けする、溶接する、ろう付けする、または任意の他の適切な技術を用いて互いに接続することができる。筒状部品１３を互いに組み立てるときに、羽根車の軸Ｘ−Ｘの周りに広がっている中空の環状キャビティ４１が、ディスクセグメント３Ｘと筒状部品１３の外壁との間の各筒状部品１３に設けられた複数の隣接する中空のキャビティ４１Ｘによって形成される。同様に、中空の環状キャビティ４３が、一緒に組み立てられた筒状部品１３の個々のキャビティ４３Ｘによって形成される。

ギャップまたは中空のスペースＳが、隣接する筒状部品１３の各対の外側表面の間にやはり残される。ギャップまたは中空のスペースＳおよび中空のキャビティ４１と４３は、その後粉末材料、例えば、金属粉末で埋められる。埋めることを、組み立てられた筒状部品１３のシュラウドセグメント５Ｘによっておよびディスクセグメント３Ｘによって形成された羽根車シュラウドの外側スキンまたは羽根車ディスクの外側スキンに適切に配置されたアパーチャを通して実現することができる。

一旦中空の環状キャビティ４１、４３および中空のスペースまたはギャップＳが粉末材料で埋められてしまうと、埋めるために使用したアパーチャを封じることができる。粉末材料でギャップまたは中空のスペースＳを埋めることに先立って、半完成の羽根車を形成している部品の当接している端部を、溶接すること、ろう付けすること、はんだ付けすること、等によって封じることができ、その結果、密封して閉じられたキャビティが、半完成の羽根車に設けられる。

このようにして得られた半完成の羽根車に、ヒッピングを施し、その結果、キャビティおよび中空のスペースまたはギャップＳに導入した金属粉末材料を、緻密化し、非中空の金属塊へと変換する。

例えば、羽根車１の表面上の凹凸を除去するために、最終機械加工および仕上げ加工を必要とすることがある。

本明細書において開示した実施形態による製造方法では、各動翼を、２つのスキン部分および内部コアによって形成する。２つのスキン部分は、それぞれの動翼の吸引側および加圧側を形成する。内部コアを、ヒッピングによって緻密化した粉末材料によって形成し、動翼の吸引側および加圧側を、動翼スキンを形成する２つの相互に隣接する筒状部品１３の側壁によって形成する。

本明細書において説明した主題の開示した実施形態が、図面に示されてきており、いくつかの例示的な実施形態に関連して特にそして詳細に上記に十分に説明してきているが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書において記述した新規な教示、原理および概念、ならびに別記の特許請求の範囲に列挙されている主題の利点から実質的に逸脱せずに可能であることが、当業者には明らかであろう。これゆえ、開示した技術革新の妥当な範囲は、すべてのこのような修正、変更、および省略を包含するように別記の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。様々な実施形態の異なる特徴、構造および手段を、別なふうに組み合わせることができる。

１ 羽根車
１Ｉ 羽根車吸気口
１Ｓ 半完成の羽根車セグメント
１Ｐ 羽根車の一部分
１Ｘ 羽根車セグメント
３ 羽根車ディスク
３Ｈ ハブ部分
３Ｘ ディスクセグメント
５ 羽根車シュラウド
５Ｅ 羽根車アイ
５Ｘ シュラウドセグメント
７ 羽根車動翼
７Ｌ 前縁部
７Ｔ 後縁部
９ 流路またはベーン
１１ 穴
１３ 筒状部品
１４ 円形組立品
１５ 内部流路
１７ 筒状壁
１９ 吸気口
２１ 排気口
２３ 端部
２５ 端部
２５Ｌ リップ
３１ ピン
３３ ディスクスキン
３３Ａ 円形端部
３３Ｂ 円形端部
３３Ｃ 付属構造
３３Ｓ スキンセグメント
３５ シュラウドスキン
３５Ａ 円形端部
３５Ｂ 円形端部
３５Ｃ 付属構造
３５Ｓ スキンセグメント
４１ 中空の環状キャビティ
４１Ｘ 中空のキャビティ
４３ 中空の環状キャビティ
４３Ｘ 中空のキャビティ
４７ ハブ部分
１００ 羽根車
１０３ 羽根車ディスク
１０３Ｈ ハブ部分
１０５ 羽根車シュラウド
１０７ 羽根車動翼
１０９ 流路またはベーン
１１１ 穴
１１３ コア
１１３Ｐ コア部分
１１５ スロット
Ａ−Ａ 羽根車軸
Ｓ 中空のスペースまたはギャップ

Claims (20)

1. ディスク（３）と、シュラウド（５）と、前記ディスク（３）と前記シュラウド（５）との間の複数の動翼（７）と、隣接する動翼（７）の間の流路（９）とを備えるターボ機械羽根車（１）を製作するための方法であって、
   複数の筒状部品（１３）を製造するステップであり、各々の前記筒状部品（１３）が前記羽根車（１）のそれぞれの流路（９）を形成し、吸気口（１９）および排気口（２１）を有する、製造するステップと、
   前記筒状部品（１３）を互いに組み立て、羽根車軸（Ａ−Ａ）の周りに複数の円形に配置された筒状部品（１３）を形成し、隣接する筒状部品（１３）の間に中空のギャップ（Ｓ）を残すステップと、
   粉末材料で前記中空のギャップ（Ｓ）を埋めるステップと、
   熱間静水圧プレス成形によって前記中空のギャップ（Ｓ）内の前記粉末材料を緻密化するステップと
   を含む、方法。
2. 前記筒状部品（１３）を製造する前記ステップが、付加製造技術またはハイドロフォーミングによって前記筒状部品（１３）を製造するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. シュラウドスキン（３５）およびディスクスキン（３３）を形成するステップであって、前記円形に配置された筒状部品（１３）が、前記ディスクスキン（３３）と前記シュラウドスキン（３５）との間に設置され、これらに接続される、形成するステップをさらに含む、請求項１または２記載の方法。
4. 前記シュラウドスキン（３５）と前記筒状部品（１３）との間に第１の中空のキャビティ（４３）を残すステップと、粉末材料で前記第１の中空のキャビティ（４３）を埋めるステップと、熱間静水圧プレス成形によって前記第１のキャビティ（４３）内の前記粉末材料を緻密化するステップとをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記ディスクスキン（３３）と前記筒状部品（１３）との間に第２の中空のキャビティ（４１）を残すステップと、粉末材料で前記第２の中空のキャビティ（４１）を埋めるステップと、熱間静水圧プレス成形によって前記第２のキャビティ（４１）内の前記粉末材料を緻密化するステップとをさらに含む、請求項３または４記載の方法。
6. 羽根車ハブ（４７）を前記ディスクスキン（３３）に結合するステップをさらに含む、請求項３乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記羽根車ハブ（４７）および前記ディスクスキン（３３）が、拡散結合および溶接のうちの一方によって互いに接続される、請求項６記載の方法。
8. 前記シュラウドスキン（３５）および前記ディスクスキン（３３）のうちの少なくとも一方が、モノリシック被加工物から形成される、請求項４乃至７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記シュラウドスキン（３５）を形成する前記ステップが、複数のシュラウドスキンセグメント（３５Ｓ）を製造し、前記シュラウドスキンセグメント（３５Ｓ）を互いに接続するステップを含む、請求項３乃至７のいずれか１項記載の方法。
10. 前記シュラウドスキンセグメント（３５Ｓ）が、付加製造技術によって製造される、請求項９記載の方法。
11. 前記ディスクスキン（３３）を形成する前記ステップが、複数のディスクスキンセグメント（３３Ｓ）を製造し、前記ディスクスキンセグメント（３３Ｓ）を互いに接続するステップを含む、請求項３乃至７、９、１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記ディスクスキンセグメント（３３Ｓ）が、付加製造技術によって製造される、請求項１１記載の方法。
13. 各々の前記筒状部品（１３）を製造する前記ステップが、シュラウドセグメント（５Ｘ）およびディスクセグメント（３Ｘ）のうちの少なくとも一方と各々の前記筒状部品（１３）とを単一部品として同時に形成するステップを含み、前記筒状部品（１３）を互いに組み立てることによって羽根車シュラウド（５）および羽根車ディスク（３）のうちの少なくとも一方を形成するステップをさらに含む、請求項１または２記載の方法。
14. 中空のキャビティ（４１Ｘ、４３Ｘ）が、前記ディスクセグメント（３Ｘ）および前記シュラウドセグメント（５Ｘ）のうちの少なくとも一方と各々の前記筒状部品（１３）との間に形成され、
    少なくとも１つの中空の環状キャビティ（４１）が、前記筒状部品（１３）を互いに組み立てることによって形成され、前記少なくとも１つの中空の環状キャビティ（４１）が、前記筒状部品（１３）と前記シュラウドセグメント（５Ｘ）によって形成されたシュラウドスキン（３５）との間、または前記筒状部品（１３）と前記ディスクセグメント（３Ｘ）によって形成されたディスクスキン（３３）との間に配置され、
    前記中空の環状キャビティ（４１）が、粉末材料で埋められ、
    前記環状キャビティ（４１）内の前記粉末材料が、熱間静水圧プレス成形によって緻密化される、
    請求項１３記載の方法。
15. 各々の前記ディスクセグメント（３Ｘ）が、ハブセグメントを含む、請求項１３または１４記載の方法。
16. 前記ハブセグメントが、スキンによって取り囲まれた中空のボリュームを含む、請求項１５記載の方法。
17. 中空の環状キャビティ（４１）が、前記筒状部品（１３）および各々の前記ディスクセグメント（３Ｘ）を互いに組み立てることによって前記羽根車（１）のハブ部分に形成され、
    前記中空の環状キャビティ（４１）が、粉末材料で埋められ、
    前記環状キャビティ内の前記粉末材料が、熱間静水圧プレス成形によって緻密化される、
    請求項１６記載の方法。
18. ディスク（３）と、シュラウド（５）と、前記ディスク（３）と前記シュラウド（５）との間の複数の動翼（７）と、隣接する動翼（７）の間に形成された流路（９）とを備えるターボ機械羽根車（１）を製作するための方法であって、
    複数の羽根車セグメント（１Ｓ）を製造するステップであり、各々の前記羽根車セグメント（１Ｓ）が、吸気口（１９）および排気口（２１）を有しかつ前記羽根車（１）の動翼（７）の間にそれぞれの流路（９）を形成する筒状部品（１３）と、シュラウドセグメント（５Ｘ）と、ディスクセグメント（３Ｘ）と、を備える、製造するステップと、
    前記羽根車セグメント（１Ｓ）を互いに組み立てかつ接合し、隣接する羽根車セグメント（１Ｓ）の筒状部品（１３）の間に中空のギャップ（Ｓ）を残すステップと、
    粉末材料で前記中空のギャップ（Ｓ）を埋めるステップと、
    熱間静水圧プレス成形によって前記埋められたスペース（Ｓ）内の前記粉末材料を緻密化するステップと
    を含む、方法。
19. 各々の前記羽根車セグメント（１Ｓ）が、各々の前記ディスクセグメント（３Ｘ）内に中空のボリュームを含み、前記ディスクセグメント（３Ｘ）の前記中空のボリュームは、一旦前記羽根車セグメント（１Ｓ）が互いに組み立てられかつ接合されると中空の環状キャビティ（４１）を形成し、前記中空の環状キャビティ（４１）が、熱間静水圧プレス成形によって緻密化される粉末材料で埋められる、請求項１８記載の方法。
20. 各々の前記羽根車セグメント（１Ｓ）が、各々の前記シュラウドセグメント（５Ｘ）内に中空のボリュームを含み、前記シュラウドセグメント（５Ｘ）の前記中空のボリュームは、一旦前記羽根車セグメント（１Ｓ）が互いに組み立てられかつ接合されると中空の環状キャビティ（４１）を形成し、前記中空の環状キャビティ（４１）が、熱間静水圧プレス成形によって緻密化される粉末材料で埋められる、請求項１８または１９記載の方法。